壓電式噴墨印頭之研究

        目前用於電腦週邊設備的噴墨列印頭主要有壓電式噴墨印頭(piezoelectrical ink jet printhead)和熱氣泡式噴墨印頭(thermal bubble ink jet printhead)。而壓電式噴墨列印頭因其內部管路設計和致動器操作方式不同，又區分為壓電管式(piezo-tube)，壓電隔膜式(piezo-diaphragm)以及壓電薄板式(piezo-lamella)。本研究是針對壓電隔膜式噴墨列印頭加以探討。

    噴墨列印品質之好壞大致上可由列印速度以及是否有產生墨滴暈散的情形來判斷。對壓電式噴墨印頭來說，列印速度主要受到輸入電壓的操作頻率控制；在噴墨墨滴的品質上，則主要由墨滴之外形、重量及衛星液滴的產生與否來決定。因此對於一完整的噴墨印頭分析應包含以下三部分，分別為壓電驅動器驅動部分、噴墨印頭內部之壓力與速度分佈及印頭外部液滴成形過程之研究。在此，我們將對於管內的壓力與速度分佈做一討論，一方面可以瞭解管內墨水的狀態；另一方面可作為以後研究液滴成形的邊界之用。

    數值模擬部分：由於壓電式噴墨列印頭內墨水的流動與管流中的水鎚現象相類似，故在本研究中將其視為一維可壓縮流來分析，採用一維波動統御方程式來模擬管路中的壓力以及噴嘴出口處墨水速度之現象，再利用特徵線法來解析此一波動方程式。

壓電噴墨印頭結構示意圖

數值模擬結果:

         目前正在進行的工作則是將數學模式改為以二維的 Navier Stokes 方程式來加以描述，由於必須考慮管內流體的剪應力影響及流路形狀複雜兩個因素，為了 提升數值模擬的準確性，將會對此問題建立新的二維數學模式。目前是利用套裝軟體對此一問題加以分析，其流程如下：

模擬進行步驟

依據實體產生格點(Mesh Creation)

確定流體性質(Fluid Properties)

確定要解的變數(Solution Variables)

定義邊界的位置和條件(Boundary Location and Conditions)

求解的方法(Solution Algorithms)

                     結果的檢驗與分析(Result check and Analysis)

實驗觀測部分：此一觀測系統可觀測墨滴串噴出之過程，隨著時間變化，我們可以觀察墨滴串形狀改變以及衛星液滴的時間等。此一系統包括了以下幾項設備：

1. 液晶顯示器(liquid crystal display, LCD)的控制器

2. 壓電隔板式噴墨列印頭

3. 電源供應器

4. 示波器 (調整控制器所提供之脈衝形狀)

5. 發光二極體(light emitting diode, LED)當作頻閃觀測器(stroboscope)

6. 10倍的顯微物鏡(microscope)

7. 電荷耦合裝置照相機(charge-coupled device camera, CCD)

8. 精密三軸平台

9. 影像擷取介面卡

10. 微量天平

11. 個人電腦

實驗架構圖如下所示：

實驗觀測結果: